高位定向長鉆孔技術在演馬莊礦的應用

呂照輝 貴宏偉

（河南能源化工集團焦煤公司，河南 焦作 454000）

綜合機械化采煤使工作面推進速度快，產量高，工作面瓦斯涌出相應也越來越大，回風流特別是上隅角瓦斯超限時有發生，給礦井安全生產和作業人員的人身安全帶來了重大隱患，2017年河南省下發了《河南省煤礦瓦斯防治補充規定》進一步要求：回采工作面絕對瓦斯涌出量不能大于5m3/min[1]，對采空區瓦斯抽采提出了更高的要求。

焦作礦區近年來主要采取插管抽采[2]和高位孔[3-4]的辦法治理采空區瓦斯。前者存在抽采濃度低、效果差的缺點，后者存在有效抽采鉆孔長度短、鉆孔利用率低的缺點。研究高位鉆孔的合理布置層位，施工有效的定向長鉆孔可以大幅度提高高位抽采鉆孔的利用效率，實現采空區抽采瓦斯穩定、連續、可利用，實現安全高效回采。

1 工作面概況

16031工作面平均走向長596m，傾向長157m，煤厚平均5.5m，采高3.0m，地面標高+96.7～+100.4m，工作面標高-520.5～ -574.9m。煤層以硬煤為主，下部有一層軟煤，厚0.5～1m。直接頂為砂質泥巖，老頂為細砂巖，底板為泥巖。煤層原始瓦斯含量為25.08m3/t，煤層原始瓦斯壓力為1.07MPa。采用穿層和順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯區域防突措施，經過瓦斯抽采達標評判后開始回采，采用綜采分層開采和綜采走向長壁后退采煤法。

2 采場覆巖裂隙演化模擬

數值模型建立以16031工作面為工程背景，模型的走向長度為600m，高度為90m，模擬工作面的采深650m。模型中煤層厚度為6m，直接頂為砂質泥巖，厚度為5m，老頂為細砂巖，厚度為8m。對厚煤層分層開采進行模擬，根據現場實際開采狀況，煤層總厚度為6m，一次開采厚度3m。為消除模型邊界對計算結果的影響，模型左右兩側各留有40m煤柱。

圖1 工作面推進不同距離時節理裂隙分布圖

采場覆巖裂隙演化過程如圖1所示，工作面在采動期間，工作面上覆巖層受采動影響大致會經歷三個損傷階段，其中包括細小裂隙的始發階段、裂隙擴張階段以及宏觀裂隙溝通階段。如圖1所示，工作面推進到距切眼20m距離時，工作面上部裂隙開始萌發，裂隙位置基本位于直接頂層位，以層狀裂隙為主，工作面頂板未發生破斷；工作面推進40m時，隨著老頂的初次斷裂，裂隙貫穿老頂至煤層頂板以上30m，工作面上方裂隙區以水平裂縫和垂直裂縫為主；工作面回采到距離切眼50m時，裂隙區延伸到頂板上部40～45m區域，延伸的裂隙主要是水平裂隙，裂隙區在工作面走向上基本沒有改變；推進到距切眼60m位置時，裂隙帶高度基本不再向上部擴展，繼續維持在40～45m高度，約為采高的12倍，裂隙帶沿煤層走向隨著周期來壓不斷向前發展。工作面推進到距切眼90m位置時，工作面后面采空區已壓密，裂隙發育程度變小，裂隙區高度不會發生改變[5]。

在整個回采過程中，隨著工作面的推進，上覆巖層的裂隙密度有一個增加和再減小的階段。走向上，工作面上覆巖層的裂隙演化可分為3個帶：切眼的永久裂隙帶，工作面采空區裂隙壓密帶和工作面上方的動態裂隙發育帶，永久裂隙帶穩定在切眼周圍，工作面回采過程中，裂隙壓密帶也隨之增大，動態裂隙帶隨工作面的回采持續向前推移[5]。隨著采高的增大，冒落帶是逐漸升高的，在采高3m的情況下，冒落帶高度大約在12m左右。

3 高位孔設計

根據數值模擬結論，為了進一步考察16031工作面最合適的層位，設計并施工5個高位長鉆孔，使用ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機施工定向鉆孔。鉆孔終孔位置位于16031回風巷下幫8～28m，距煤層頂板26～41m處，具體設計參數見表1。

表1 工作面高位定向長鉆孔布置參數

4 抽采曲線分析

定向高位孔施工連抽后，抽采效果較好，為更方便分析，將5個高位鉆孔的抽采濃度、混量、純量與鉆孔終孔進入采空區內長度進行分析。

1號定向高位孔在進入采空區16m后瓦斯抽采濃度、混量及純量均開始顯著提高，主要原因是工作面切眼后16m處頂板開始垮落，上覆巖層形成了裂隙帶，鉆孔開始進入裂隙帶瓦斯富集區內，隨著工作面推進，鉆孔進入裂隙帶內的長度不斷增加，抽采效果開始持續升高，在達到一定峰值后開始保持。隨著抽采時間增加，采空區深部的瓦斯量逐漸減少，處于深部的瓦斯濃度降低，造成鉆孔內瓦斯濃度開始降低，但隨著鉆孔長度增加及裂隙帶逐漸向高處擴展，混合流量不斷增加，純量則總體保持平衡。

2號定向高位孔未進入采空區抽采濃度就已經很高，但流量相對較低，主要原因是煤層上方巖層受采動影響，產生了少量裂隙，此時高位孔抽采的主要是煤體上覆巖層裂隙內少量瓦斯。隨著鉆孔進入采空區內，抽采濃度有小幅回落，進入采空區內24m后，濃度及抽采量均有了進一步升高，主要是此時鉆孔進入了裂隙帶內，在鉆孔進入采空區30m以后，濃度保持抽采量有了大幅度回落，主要原因是鉆孔可能出現了塌孔堵孔情況。進入采空區內90m后，鉆孔濃度及抽采量均突然下降，導致抽采效果嚴重衰減的主要原因是鉆孔未進入裂隙帶部分出現了塌孔，導致抽采效果嚴重衰減。

3號定向高位孔和1號定向高位孔情況類似，在進入采空區12m后瓦斯抽采濃度開始急劇增加，此時鉆孔進入了裂隙帶瓦斯富集區，隨著裂隙帶不斷發育，混量及純量也開始顯著提高，隨著工作面推進，鉆孔進入裂隙帶內的長度不斷增加，抽采效果持續保持在較好的狀態。隨著抽采時間增加，采空區深部的瓦斯量逐漸減少，處于深部的瓦斯濃度降低，造成鉆孔內瓦斯濃度開始降低，但隨著鉆孔長度增加及裂隙帶逐漸向高處擴展，混合流量不斷增加，純量則總體保持平衡。和1號孔對比可以看出，雖然3號鉆孔抽采濃度較1號孔偏低，但抽采純量卻是1號孔的4～5倍，3號孔取得了非常好的抽采效果，主要原因是3號鉆孔在垂直方向上層位較1號孔偏低，所處層位裂隙更發育。

4號定向高位孔和2號定向高位孔類似，未進入采空區抽采濃度就已經很高，此時高位孔抽采的主要是煤體上覆巖層裂隙內少量瓦斯。隨著鉆孔進入采空區內，抽采濃度有小幅回落，進入采空區內23m后，抽采量大幅度下降，主要原因是鉆孔可能出現了塌孔堵孔情況，導致抽采效果嚴重衰減。

5號定向高位孔抽采濃度較其它鉆孔整體偏低，但整體趨勢變化不大，抽采流量在整個抽采期間相比其它鉆孔明顯偏低，也沒有明顯的起伏，抽采效果較差，主要原因是5號定向高位孔距煤層頂板41m，層位較高，處于裂隙帶的上部，裂隙發育較少。

5 抽采效果分析

在16031工作面回采期間，實際絕對瓦斯涌出量（抽采+風排）平均6.97m3/min，在整個絕對瓦斯涌出量中，風排瓦斯量占34%，埋管抽采量占9%，高位定向長孔抽采量占57%。

定向高位孔雖然鉆孔數量較少，但是由于有效抽采長度長，利用率高，在進入裂隙帶后抽采效果明顯，且抽采量穩定，持續時間長。

6 結論

（1）經過現場考察，16031工作面采高為3m的情況下，布置定向高位長鉆孔的合理層位為：垂向上距煤層頂板12～30m，平距為距回風巷中線10～28m。

（2）形成了采用千米鉆機施工高位定向長鉆孔抽采采空區的技術模式，提高了高位鉆孔抽采效果和效率，為礦井安全生產提供了可靠保障。

（3）該技術有效消除了回采工作面上隅角瓦斯聚集問題，提高了工作面回采效率，促進了瓦斯利用。